Lichtstrahlen -Wellen - Photonen von Wolfgang Zinth und Ursula

Lichtstrahlen -Wellen - Photonen
von
Wolfgang Zinth und Ursula Zinth
Oldenbourg Verlag München Wien
Inhalt
Vorwort
1
1
Einführung und historischer Überblick
3
2
Licht als elektromagnetische Welle
7
2.1
2.1.1
2.1.2
2.1.3
Die Wellengleichung und ihre Lösungen
Energie und Impuls von Licht
Wellenpakete
Phasen- und Gruppengeschwindigkeit
7
12
14
18
2.2
2.2.1
2.2.2
2.2.3
2.2.4
2.2.5
Dispersion von Licht
Die Frequenzabhängigkeit der Dielektrizitätskonstante
Der Brechungsindex
Die Absorption von Licht
Die Dispersion von dichten Medien
Brechungsindex und Absorption von Metallen
20
21
23
24
26
29
2.3
2.3.1
2.3.2
30
31
2.3.3
Elektromagnetische Wellen an Grenzflächen
Reflexions- und Brechungsgesetz
Die Fresnelschen Formeln für den Reflexionsgrad
einer Grenzfläche
Totalreflexion und evaneszente Wellen
2.4
2.4.1
2.4.2
2.4.3
2.4.4
2.4.5
2.4.6
Lichtwellenleiter
Lichtleitung durch Totalreflexion
Moden in einem optischen Wellenleiter**
Lichtausbreitung in einem Hohlleiter**
Moden in einem dielektrischen Wellenleiter**
Lichtleitfasern
Herstellung von Glasfasern
42
42
48
51
54
58
58
2.5
2.5.1
2.5.2
2.5.3
Absorbierende und streuende Medien
Das Reflexionsvermögen absorbierender Medien
Die Farbe von Gegenständen
Streuung von elektromagnetischen Wellen
61
61
63
64
34
40
VI
Inhalt
3
Die Geometrische Optik
67
3.1
3.1.1
3.1.2
Das Fermatsche Prinzip
Das Reflexionsgesetz
Das Fermatsche Prinzip und das Brechungsgesetz
68
70
72
3.2
3.2.1
Strahlenablenkung durch ein Prisma
Der Regenbogen
75
77
3.3
3.3.1
3.3.2
3.3.3
3.3.4
3.3.5
3.3.6
83
84
85
87
90
94
3.3.7
3.3.8
3.3.9
3.3.10
Die optische Abbildung
Reelle und virtuelle Abbildungen
Abbildung an einem Kugelspiegel
Abbildung durch brechende Kugelflächen
Abbildungsgleichung für dünne Linsen
Dicke Linsen und Linsensysteme
Berechnung der Ausbreitung paraxialer Strahlen
mit dem Matrizen-Verfahren
Anwendungen der Matrizenmethode
Linsenfehler
Begrenzungen in optischen Systemen
Design und Herstellung von Objektiven
95
101
103
109
112
3.4
3.4.1
3.4.2
3.4.3
3.4.4
Instrumente der geometrischen Optik
Der Projektionsapparat
Die photographische Kamera
Das Auge
Vergrößernde optische Instrumente
113
113
114
118
121
4
Welleneigenschaften von Licht
131
4.1
4.1.1
4.1.2
Qualitative Behandlung der Beugung
Das Huygenssche Prinzip
Die Fresnelsche Beugung
132
132
134
4.2
4.2.1
4.2.2
4.2.3
4.2.4
Mathematische Behandlung der Beugung
Die Fresnel-Kirchhoffsche Beugungstheorie**
Fresnelsche und Fraunhofersche Beugung
Fraunhofersche Beugung
Das Babinetsche Prinzip
138
138
140
142
143
4.3
4.3.1
4.3.2
4.3.3
4.3.4
4.3.5
4.3.6
4.3.7
Spezielle Fälle der Fraunhoferschen Beugung
Beugung an einem langen Spalt
Beugung an einer Rechteckblende
Beugung an einer kreisförmigen Öffnung
Beugung am Doppelspalt
Beugung am Gitter
Gitterspektrometer
Beugung an mehrdimensionalen Gittern
143
143
148
149
150
155
160
162
Inhalt
4.4
4.4.1
4.4.2
4.4.3
4.4.4
VII
Interferenz
Die Kohärenz von Lichtquellen
Spezielle Interferometeranordnungen
Interferenzen dünner Schichten
Vielfachinterferenzen am Beispiel
des Fabry-Perot-Interferometers
166
168
171
176
185
4.5
4.5.1
4.5.2
4.5.3
4.5.4
4.5.5
Anwendungen von Beugung und Interferenz
192
Das Auflösungsvermögen optischer Geräte
192
Die Abbesche Theorie der Bildentstehung und Fourieroptik ... 198
Holographie
203
Laser-Strahlen - Die Optik Gaußscher Bündel*
207
Gaußsche Bündel und abbildende Elemente**
214
4.6
4.6.1
4.6.2
4.6.3
4.6.4
4.6.5
4.6.6
Die Polarisation von Licht
Polarisationszustände von Licht
Polarisatoren
Doppelbrechung
Anwendungen der Doppelbrechung
Induzierte Doppelbrechung
Optische Aktivität und Faraday-Effekt
218
218
221
226
234
237
241
4.7
4.7.1
Nichtlineare Optik
Phänomene, die mit der nichtlinearen Suszeptibilität
zweiter Ordnung verknüpft sind*
Phänomene, die mit der nichtlinearen Suszeptibilität
dritter Ordnung verknüpft sind*
246
247
5
Quantenphänomene: Licht als Welle und Teilchen
255
5.1
5.1.1
5.1.2
5.1.3
255
261
264
5.1.4
Der Photoeffekt
Eigenschaften von Photonen
Licht ist Welle und Teilchenstrom
Doppelspalt als Instrument zur Unterscheidung
von Welle und Teilchen
Photoeffekt in der Anwendung: Nachweis von Licht*
5.2
5.2.1
5.2.2
5.2.3
5.2.4
5.2.5
5.2.6
5.2.7
5.2.8
Strahlungsgesetze und Lichtquellen
Strahlungsphysikalische Größen
Lichttechnische Größen*
Das Kirchhoffsche Strahlungsgesetz
Das Emissionsverhalten eines schwarzen Strahlers
Strahfungsgesetze
Die Plancksche Strahlungsformel
Lichtquellen für Beleuchtungszwecke*
Der Laser
279
279
284
286
288
290
292
296
299
4.7.2
250
265
268
VIII
Inhalt
6
Anhang: Fouriertransformation
307
6.1
Fourierreihen
307
6.2
Fourierintegrale: Transformationen nichtperiodischer
Funktionen
311
6.3
Eigenschaften der Fouriertransformation
313
6.4
Rechenregeln für Fouriertransformationen
315
6.5
Eigenschaften der Deltafunktion
316
Vertiefende Literatur
319
Sachverzeichnis
321